무인기에 대한 관심이 급증하면서 무인기 충돌회피에 대한 많은 연구가 진행 중이다. 충돌회피를 위해서는 무인기 주변에 대한 상황인식이 이루어져야하며 이를 위해 라이더, 영상 카메라, 레이저 센서, 그리고 초음파센서 등이 활용되고 있다. 본 논문에서는 MB 1230 초음파 센서를 이용하여 초음파 센서의 특성을 분석하였다. 또한, 동시에 다수 초음파 센서를 사용할 경우 센서간의 간섭영향으로 정확한 거리 측정값을 획득하지 못함을 확인하였다. 이러한 초음파 센서 신호 간섭을 해결하기 위해 다수의 초음파 센서를 동시에 작동시키는 것이 아니라 초음파 센서의 Enable 신호 입력단을 이용하여 각 초음파 센서를 순차적으로 활성화시킴으로써 초음파 센서간의 간섭을 해결하는 방안을 제안하였으며 실험을 통해 제안한 방안의 효과를 확인하였다.
무인기에 대한 관심이 급증하면서 무인기 충돌회피에 대한 많은 연구가 진행 중이다. 충돌회피를 위해서는 무인기 주변에 대한 상황인식이 이루어져야하며 이를 위해 라이더, 영상 카메라, 레이저 센서, 그리고 초음파센서 등이 활용되고 있다. 본 논문에서는 MB 1230 초음파 센서를 이용하여 초음파 센서의 특성을 분석하였다. 또한, 동시에 다수 초음파 센서를 사용할 경우 센서간의 간섭영향으로 정확한 거리 측정값을 획득하지 못함을 확인하였다. 이러한 초음파 센서 신호 간섭을 해결하기 위해 다수의 초음파 센서를 동시에 작동시키는 것이 아니라 초음파 센서의 Enable 신호 입력단을 이용하여 각 초음파 센서를 순차적으로 활성화시킴으로써 초음파 센서간의 간섭을 해결하는 방안을 제안하였으며 실험을 통해 제안한 방안의 효과를 확인하였다.
With the growth of interest in the UAVs, the study of the UAV collision avoidance is in progress. Lidar, Video camera, laser sensor, and ultrasonic sensor may be utilized for collision avoidance of UAV. In this paper, the characteristics of MB 1230 ultrasonic sensor is analyzed through the experimen...
With the growth of interest in the UAVs, the study of the UAV collision avoidance is in progress. Lidar, Video camera, laser sensor, and ultrasonic sensor may be utilized for collision avoidance of UAV. In this paper, the characteristics of MB 1230 ultrasonic sensor is analyzed through the experiment. When concurrently using multitudinous ultrasonic sensors, ultrasonic sensors do not generate correct measurement values. To solve ultrasonic sensor interference, sequentially transmitting ultrasonics signal is suggested by using 'Enable' signal input of ultrasonic sensor, so by activating each ultrasonic sensor gradually. This proposed solution is also verified by experimentation.
With the growth of interest in the UAVs, the study of the UAV collision avoidance is in progress. Lidar, Video camera, laser sensor, and ultrasonic sensor may be utilized for collision avoidance of UAV. In this paper, the characteristics of MB 1230 ultrasonic sensor is analyzed through the experiment. When concurrently using multitudinous ultrasonic sensors, ultrasonic sensors do not generate correct measurement values. To solve ultrasonic sensor interference, sequentially transmitting ultrasonics signal is suggested by using 'Enable' signal input of ultrasonic sensor, so by activating each ultrasonic sensor gradually. This proposed solution is also verified by experimentation.
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문제 정의
본 논문에서는 다수의 초음파 센서에서 초음파신호를 동시에 송출 시키는 방식이 아닌 순차적으로 송출 시키는 방안을 제안하였다. 본 논문에서 제시한 순차적 초음파 신호 송출 방식은 기존 하드웨어의 변경 없이 초음파 신호간의 간섭을 제거 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
본 논문에서 제시한 순차적 초음파 신호 송출 방식은 기존 하드웨어의 변경 없이 초음파 신호간의 간섭을 제거 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 실험을 통해 MB 1230 초음파 센서의 특성을 분석하였다. 또한, 다수의 초음파 센서를 이용한 실험을 통해서 동시에 다수의 초음파 센서를 동작 시킬 경우 센서간의 간섭이 발생하여 정확한 거리 값을 측정하지 못하는 것을 확인하였으며 이러한 초음파 센서간의 간섭을 해결하기 위해 다수의 초음파 센서를 동시에 작동시키는 것이 아니라 초음파 센서의 Enable 신호 입력 단을 이용하여 각 초음파 센서를 순차적으로 활성화시킴으로써 초음파 센서간의 간섭을 해결하는 방안을 제안하였으며 실험을 통해 제안한 방안의 효과를 확인하였다.
제안 방법
이를 위해 나머지 초음파 센서의 Enable 신호를 Off로 제어하여 하나의 초음파 센서만 동작하도록 설정하였다. 1m 간격에서 반사판을 양쪽으로 배치하고 좌우로 이동하면서 초음파 센서에서의 수신 여부를 측정하여 초음파 센서의 빔 패턴을 확인하였다. 실제 초음파 센서 사양서와 같은 패턴은 아니지만 유사한 패턴임을 확인 하였다.
3장에서 실험한 결과를 타겟이 이동 할 경우에도 적용할 수 있는지 확인하기 위하여 ㄱ자 복도실험 환경을 구현하고 타겟을 이동하면서 초음파센서의 간섭 현상을 실험하였다. Fig.
초음파 센서 실험을 위해 드론에 장착하는 것과 같이 둥근 원판에 7개의 초음파 센서를 부착하였고, 계측 S/W는 LabView를 이용하였다. LabView DAQ(6008)를 이용하여 Enable 신호를 생성하고 초음파 센서의 Enable 신호 단자에 제공하였다. 거리 정보는 초음파 센서의 RS-232를통해서 획득하였다.
Table 2는 각각의 거리별 실험 결과를 기준 값의 ±20cm 기준으로 하여 확률적으로 분석한 것이다. 각 초음파 센서당 10000개식의 데이터 즉 거리당 7개의 센서에서 받은 70000개의 데이터의 거리 측정값에 대해 오류 발생 확률을 분석하여 각각의 송출 방식별 간섭 영향을 분석하였다.
초음파 센서의 간섭을 줄이기 위해 센서 배치를 고려하여야만 한다. 그룹 순차 제어 방식은 주변 센서로부터의 간섭이 가장 강할 수 있다는 가정 하에 1, 3, 5, 7 번 초음파 센서를 A 그룹으로 2, 4, 6 초음파 센서를 B그룹으로 설정하고 그룹별로 순차적으로 초음파신호를 송출하도록 하였다.
본 논문에서는 실험을 통해 MB 1230 초음파 센서의 특성을 분석하였다. 또한, 다수의 초음파 센서를 이용한 실험을 통해서 동시에 다수의 초음파 센서를 동작 시킬 경우 센서간의 간섭이 발생하여 정확한 거리 값을 측정하지 못하는 것을 확인하였으며 이러한 초음파 센서간의 간섭을 해결하기 위해 다수의 초음파 센서를 동시에 작동시키는 것이 아니라 초음파 센서의 Enable 신호 입력 단을 이용하여 각 초음파 센서를 순차적으로 활성화시킴으로써 초음파 센서간의 간섭을 해결하는 방안을 제안하였으며 실험을 통해 제안한 방안의 효과를 확인하였다.
실험 편의를 위해 각각의 초음파 센서 Enable 센서를 On/Off 제어 할 수 있는 기능과 초음파 센서들의 그룹을 설정하여 그룹별 On/Off 제어 할 수 있는 기능을 추가하였다. 또한, 사용자가 쉽게 초음파 센서의 동작을 인지하고 비교할 수 있도록 각 초음파센서별 거리 값을 그래픽으로 표시할 수 있도록 디스프레이 모듈을 제작하였다.
다수의 초음파 센서를 동시에 사용할 경우, 각각의 센서에서 송출되는 신호가 장애물에 반사되어 원치 않는 수신단에 영향을 주어 정확한 거리계산이 어렵다. 먼저 거리별 초음파 센서의 간섭 현상을 실험하기 위하여 반사판을 각각의 초음파 센서와 1m, 2m, 그리고 5m에 배치하여 실험을 수행하였다. Fig.
본 논문에서는 MaxBotix 사에 초음파 센서를 이용하여 초음파의 특성을 분석하여 다수의 초음파 센서를 동시, 그룹 순차, 그리고 개별 순차 3가지 방식으로 실험을 하였다. 초음파 센서의 특징상 신호의 간섭이 발생하여 다수의 초음파센서를 동시에 사용하기에는 무리가 있는 것을 확인 하였으며, 정확한 거리를 측정해야 하는 경우에는 개별 순차적으로 쓰는 것이 간섭 영향이 없어 정확한 거리 측정값을 획득할 수 있음을 실험을 통해 확인하였다.
빔 패턴 실험을 위해서는 하나의 초음파만을 사용하였으나 초음파 신호의 간섭을 실험하기 위하여 LabView DAQ를 이용하여 Enable 신호 제어를 통해 7개 초음파 센서에서 초음파 신호가 동시에 송출 하도록 설정하였다. Fig.
9와 같이 제작하였다. 실험 편의를 위해 각각의 초음파 센서 Enable 센서를 On/Off 제어 할 수 있는 기능과 초음파 센서들의 그룹을 설정하여 그룹별 On/Off 제어 할 수 있는 기능을 추가하였다. 또한, 사용자가 쉽게 초음파 센서의 동작을 인지하고 비교할 수 있도록 각 초음파센서별 거리 값을 그래픽으로 표시할 수 있도록 디스프레이 모듈을 제작하였다.
다만, 라이더와 영상 카메라의 경우 빛을 이용하는 관계로 유리와 같은 소재로 된 타겟에 대한 탐지가 곤란 할 수 있다. 이를 보완하기 위해 빛이 아닌 음파를 사용하여 투명한 재질도 탐지할 수 있는 초음파를 통해 근거리 영역을 탐지한다.
빔 패턴 실험의 경우 하나의 초음파 센서를 기준으로 실험을 수행하였다. 이를 위해 나머지 초음파 센서의 Enable 신호를 Off로 제어하여 하나의 초음파 센서만 동작하도록 설정하였다. 1m 간격에서 반사판을 양쪽으로 배치하고 좌우로 이동하면서 초음파 센서에서의 수신 여부를 측정하여 초음파 센서의 빔 패턴을 확인하였다.
위 실험결과로부터 확인 된 다수의 초음파 센서를 동시에 사용할 경우 간섭 현상이 발생함을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 7개의 초음파를 동시에 사용하지 않고 아래와 같은 방식으로 초음파 센서의 송출을 제어하여 실험을 수행하였다.
초음파 센서 데이터 처리를 위해 LabView를 이용하여 초음파 센서 Enable 제어 모듈과 초음파 센서에서 측정된 거리 디스프레이 모듈로 구분하여 Fig. 9와 같이 제작하였다.
초음파 센서 실험을 위해 드론에 장착하는 것과 같이 둥근 원판에 7개의 초음파 센서를 부착하였고, 계측 S/W는 LabView를 이용하였다. LabView DAQ(6008)를 이용하여 Enable 신호를 생성하고 초음파 센서의 Enable 신호 단자에 제공하였다.
초음파 센서 실험을 위해 한국항공우주연구원격납고 안에 3T(30mm) 스티로폼을 이용하여 반사판을 제작하여 각 실험에 맞게 이동 배치 할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
2장에서 설명한 MB 1230 초음파 센서의 빔 패턴을 분석하기 위하여 Fig. 10과 같이 반사판을 배치하여 실험을 수행하였다.
LabView DAQ(6008)를 이용하여 Enable 신호를 생성하고 초음파 센서의 Enable 신호 단자에 제공하였다. 거리 정보는 초음파 센서의 RS-232를통해서 획득하였다. 본 실험에서는 초음파 센서의 RS-232 시리얼 데이터(단자 5번)를 통해 거리 측정값을 획득하였다.
Enable 신호를 이용하여 초음파센서 동작 가능여부를 정할 수 있어, 순차적으로 초음파 센서를 동작 시킬 때, 다른 초음파 센서와의 영향을 최소화 시킬 수 있다. 본 실험에서는 단자 4번(Enable)과 단자 5번(RS-232)을 이용해서 진행 하였다.
거리 정보는 초음파 센서의 RS-232를통해서 획득하였다. 본 실험에서는 초음파 센서의 RS-232 시리얼 데이터(단자 5번)를 통해 거리 측정값을 획득하였다. Fig.
실험에 사용된 초음파 센서는 XL MaxSonar EZ MB 1230 제품이며 3가지의 출력(Analog Voltage, Pulse Width, Serial)을 이용하여 거리측정치를 제공한다. 초음파 센서의 특징 중 근거리 가용성을 나타내는 지표인 데드존의 경우 MB 1230 초음파 센서의 20cm이다.
성능/효과
다수의 초음파 센서의 출력 신호를 동시에 동작시키는 실험을 통해 동시에 초음파 신호를 송출할 경우 수신단에서 신호 간섭이 발생함을 확인하였다. 1m, 2m 그리고 5m 거리별 실험을 통해 반사판에 의한 초음파 신호 반사 신호의 세기가 약해도 수신측에 신호 간섭을 발생시킴을 확인하였다.
다만, 일반적인 초음파 센서의 거리 측정값의 출력 주기가 10Hz이며 이를 순차적 방식을 사용할 경우 출력 주기가 순차 방식에 따라 줄어들 수 있어 고속 출력을 요구하는 시스템에 적용하기에는 적절하지 않다. 고속출력을 요구하는 시스템에 적용하기에는 초음파의 그룹을 간섭 영향을 고려하여 설정함으로써 순차방식보다는 고속의 출력을 제공할 수 있음을 실험을 통해 확인하였다.
다수의 초음파 센서의 출력 신호를 동시에 동작시키는 실험을 통해 동시에 초음파 신호를 송출할 경우 수신단에서 신호 간섭이 발생함을 확인하였다. 1m, 2m 그리고 5m 거리별 실험을 통해 반사판에 의한 초음파 신호 반사 신호의 세기가 약해도 수신측에 신호 간섭을 발생시킴을 확인하였다.
본 논문에서는 다수의 초음파 센서에서 초음파신호를 동시에 송출 시키는 방식이 아닌 순차적으로 송출 시키는 방안을 제안하였다. 본 논문에서 제시한 순차적 초음파 신호 송출 방식은 기존 하드웨어의 변경 없이 초음파 신호간의 간섭을 제거 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 실험을 통해 MB 1230 초음파 센서의 특성을 분석하였다.
실험 결과는 Table 2와 같이 거리가 멀수록 동시에 작동할 경우 오차 확률이 증가하고 그룹,순차 방식을 적용할 경우 오차 확률이 줄어드는 것을 확인 할 수 있다.
위 실험결과로부터 확인 된 다수의 초음파 센서를 동시에 사용할 경우 간섭 현상이 발생함을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 7개의 초음파를 동시에 사용하지 않고 아래와 같은 방식으로 초음파 센서의 송출을 제어하여 실험을 수행하였다.
13과 같이 2m에 반사판을 배치하고 동시에 7개의 초음파센서에서 송출토록 설정한 후 수신된 결과를 분석한 것이다. 이 결과로부터 1m 실험과 유사하게 각 센서의 거리 측정값에 오차가 발생함을 확인하였다.
Figure 17은 초음파 센서로부터 5m에 반사판을 배치하고 동시에 7개의 초음파 센서에서 송출토록 설정한 후 수신된 결과를 분석한 것이다. 이 결과로부터 1m와 2m 실험과 유사하게 각 센서의 거리 측정값에 오차가 발생함을 확인하였다.
13은 초음파 센서로부터 1m에 반사판을 배치하고 동시에 7개의 초음파 센서에서 송출토록 설정한 후 수신된 결과이다. 이 결과로부터 각 센서의 거리 측정값에 오차가 발생함을 확인하였다.
실제 초음파 센서 사양서와 같은 패턴은 아니지만 유사한 패턴임을 확인 하였다. 초음파 센서의 특징상 거리가 점차 멀어질수록 돌아오는 반사파의 세기가 약해져 빔 폭이 좁아짐을 확인하였다.
본 논문에서는 MaxBotix 사에 초음파 센서를 이용하여 초음파의 특성을 분석하여 다수의 초음파 센서를 동시, 그룹 순차, 그리고 개별 순차 3가지 방식으로 실험을 하였다. 초음파 센서의 특징상 신호의 간섭이 발생하여 다수의 초음파센서를 동시에 사용하기에는 무리가 있는 것을 확인 하였으며, 정확한 거리를 측정해야 하는 경우에는 개별 순차적으로 쓰는 것이 간섭 영향이 없어 정확한 거리 측정값을 획득할 수 있음을 실험을 통해 확인하였다. 다만, 일반적인 초음파 센서의 거리 측정값의 출력 주기가 10Hz이며 이를 순차적 방식을 사용할 경우 출력 주기가 순차 방식에 따라 줄어들 수 있어 고속 출력을 요구하는 시스템에 적용하기에는 적절하지 않다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무인기 충돌회피를 위해 무엇이 필요한가
무인기에 대한 관심이 급증하면서 무인기 충돌 회피에 대한 연구들이 진행되고 있다. 무인기 충돌회피를 위해서는 무인기 주변에 대한 상황인식이 이루어져야하며 이를 위해 라이더, 영상 카메라, 레이저 센서, 초음파센서 등이 활용되고 있다. 또한 이들 센서들을 융합하여 상황인식에 활용하는 연구들이 많이 진행되고 있다.
라이더의 장점과 단점은 무엇인가
1과 같다. 라이더의 경우 상대적으로 먼 거리까지 장애물을 전방위적으로 탐지할 수 있으나 라이더의 스캔 채널의 한계로 정밀 탐지는 곤란하다. 이 경우 영상 카메라를 이용하여 중간 영역까지 정밀 탐지를 지원한다.
라이더와 영상 카메라가 유리와 같은 소재로 된 타겟에 대한 탐지가 곤란하기 때문에 어떠한 방법으로 이를 보완하는가
다만, 라이더와 영상 카메라의 경우 빛을 이용하는 관계로 유리와 같은 소재로 된 타겟에 대한 탐지가 곤란 할 수 있다. 이를 보완하기 위해 빛이 아닌 음파를 사용하여 투명한 재질도 탐지할 수 있는 초음파를 통해 근거리 영역을 탐지한다.
참고문헌 (3)
C,S.Kim, B.J Choi, Y.J Lee, S.R Lee, "Simultaneous driving system of ultrasonic sensors using codes", JCASE, Vol.10.No.11, November 2004, pp 1028-1036
W.S Choi, "Obstacle avoidance of a mobile robot mounted with ultrasonic sensors with wide bam angle using DWA and ND navigation", Maseter's thesis Korea Uni. FEB.2009 p51
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